CN107080551B - 一种三维异质pet系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维异质PET系统，该系统包括至少两个异质探测器模块，每个异质探测器模块包括至少两种晶体条，晶体条紧密排列形成异质探测器模块，不同种类的晶体条的探测性能处于不同等级，相同种类的晶体条的探测性能处于相同等级，晶体条的探测性能参数包括能量分辨率，密度，尺寸和光输出量等，晶体条的探测性能处于不同等级包括晶体条的探测性能参数中的一种或多种处于不同等级。相对于高空间分辨率PET系统，本发明可在不明显降低PET系统空间分辨率的前提下有效的降低PET系统整体的制造成本；相对于普通空间分辨率PET系统，本发明可在成本不明显增加的同时提高PET系统的空间分辨率，另外能提供部分径向方向上高空间分辨率下的成像视场。

Description

一种三维异质PET系统
技术领域
本发明涉及核医学领域的一种正电子发射计算机断层成像系统，更具体地涉及一种三维异质PET系统。
背景技术
PET(Positron Emission Tomography，正电子发射计算机断层成像，以下简称PET)是一种大型、尖端的核医学影像设备，其成像原理是将具有生物活性的且带有放射性的示踪剂注入活体内，示踪剂参与活体的新陈代谢，随着新陈代谢水平的不同示踪剂在活体内呈现不同的分布，然后对示踪剂在活体内的分布进行成像。PET能够在细胞水平上无创、定量、动态的评估活体内各个器官的代谢水平、生化反应和功能活动，因而能够在许多疾病引起结构性改变或症状恶化之前，检测出相关的生化改变。PET对于重大疾病的诊断和治疗，尤其是临床上对肿瘤、心血管疾病和神经系统疾病的诊断和治疗具有巨大而独特的应用价值。
PET系统的一个重要性能指标是空间分辨率，其表征了PET系统能够区分图像中两个靶点的最小尺寸。空间分辨率越好，图像也就越清楚，因而也能为临床诊断和治疗提供更多的参考信息。
目前在PET研究领域中，根据PET探测器的摆放形式主要有以下几种系统：环形PET系统、平板PET系统、二维环形异质探测器PET系统和应用适应性PET系统。
环形PET系统是市场上最常见也是应用范围最广的PET系统，构成该系统的探测器模块采用性能相同的晶体条构建。由于在匀质PET系统中，空间分辨率的极限约为晶体条尺寸的1/2，为了提高环形PET系统的空间分辨率，只有在提高晶体条性能的条件下进行。但是随着晶体条的性能越高，成本也急剧增加。在保持同一大小成像视场的前提下，为了满足系统空间分辨率的要求，如果探测器模块全部采用高性能晶体条构建，会使PET系统产生极高的制造成本问题。
平板PET系统由两块对称的PET探测器模块搭建而成，在外形上与环形PET系统有很大区别。平板PET系统能够降低PET系统的制造成本，但是由于平板PET系统欠采样，获取的信息不全，会导致PET系统产生成像伪影问题，反而降低了系统成像部分位置的空间分辨率。
二维环形异质探测器(异质是指构成系统的探测器模块由不同性能的晶体条组成)PET系统的构架也为环形，但环形中一部分探测器模块采用的是高性能的晶体条，环形中另一部分探测器模块采用的是普通性能的晶体条(Jingjing Liu,etc.A PET systemdesign by using mixed detectors:resolution properties)。二维环形异质探测器PET系统能在一定程度上减少高性能晶体条的使用，从而降低成本，但其局限于二维成像。
应用适应性PET系统(CN101856236A)采用了不同的探测器模块，但是每个探测器模块均采用性能相同的晶体条，即尺寸、大小、材料、能量分辨率等参数完全一样的晶体条，在某些特定情况下并不能满足系统空间分辨率的要求。
对于活体的某些部位进行成像时，对PET系统的空间分辨率要求很高，但对于活体的另外一些部位成像时，对PET系统的空间分辨率并不高，如果PET系统全部采用普通性能晶体条，则会导致PET系统的空间分辨率达不到要求，如果PET系统全部采用高性能晶体条，则会增加系统成本，并且系统的整体性能并没有完全被利用。例如对小鼠的脑部和心脏位置进行成像时，PET系统需要的空间分辨率很高，但是对小鼠的膀胱进行成像时，对PET系统的空间分辨率则没有这么高的要求。无论是环形PET系统还是平板PET系统，上述问题都会出现。二维环形异质探测器PET系统和应用适应性PET系统的出现在一定程度上解决了这一问题，但是，上述两种系统采用的都是环内异质，即轴向方向上，采用的探测器模块相同，每个探测器模块之间采用的晶体条性能完全相同。在这一类系统下，如果被成像体对高空间分辨率成像视场要求比较高或者对径向方向上的高空间分辨率成像视场范围要求很高时，上述两种结构下的探测器系统都无法满足。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维异质PET系统，从而解决现有技术中的PET系统无法兼顾成本和特殊位置处高空间分辨率成像的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种三维异质PET系统，该三维异质PET系统包括至少两个异质探测器模块，每个异质探测器模块包括至少两种晶体条，这些晶体条紧密排列形成异质探测器模块，不同种类的晶体条的探测性能处于不同等级，相同种类的晶体条的探测性能处于相同等级，晶体条的探测性能参数包括能量分辨率，密度，尺寸和光输出量等，晶体条的探测性能处于不同等级包括晶体条的探测性能参数中的一种或多种处于不同等级。
根据本发明的一个实施例，异质探测器模块包括若干第一晶体条和若干第二晶体条，第一晶体条和第二晶体条均为长方体形状，第一晶体条和第二晶体条依序紧密排列构成长方体形状的异质探测器模块，第一晶体条和第二晶体条将异质探测器模块分成两部分，其中一部分由第一晶体条构成，另一部分由第二晶体条构成。
根据本发明的另一个实施例，第一晶体条和第二晶体条的尺寸不同，第一晶体条的尺寸大小为4.25mm×4.25mm×10mm，第二晶体条的尺寸大小为2.125mm×2.125mm×10mm。
根据本发明的另一个实施例，第一晶体条共计80个，按8列10行排布；第二晶体条共计320个，按16列20行分布。
根据本发明的一个实施例，多个异质探测器模块在空间上形成环形结构。
根据本发明的一个实施例，若干晶体条为楔形形状，不同种类的晶体条依序紧密排列构成弧形形状的异质探测器模块，多个异质探测器模块组成圆环形的三维异质PET系统。
根据本发明的另一个实施例，三维异质PET系统包括16个异质探测器模块，三维异质PET系统的环形结构的内径约为213.66mm，轴向长度约为68mm，轴向长度为垂直于环形结构截面方向的长度。
根据本发明的又一个实施例，异质探测器模块共两个，这两个异质探测器模块平行排列且上下对齐形成平板型三维异质PET系统。
本发明中晶体条的材质为LaBr3，LSO，LYSO，LuYAP，BaF2，GSO，LFS，LuI3中的一种或多种。
本发明中的三维异质PET系统还包括假体，假体包括底盘以及分布于底盘上的若干第一靶点和若干第二靶点，第一靶点和第二靶点尺寸不同且分别相对的分布于底盘的两边。
本发明提供的三维异质PET系统采用了独特的搭建方式，采用多种不同性能的晶体条组成异质探测器模块，在满足对成像区域空间分辨率成像视场范围要求的前提下，对于相同成像区域范围大小的PET系统而言，有效的减少了高性能晶体条的使用数量。相对于高空间分辨率PET系统，本发明可以在不明显降低PET系统空间分辨率的前提下有效的降低PET系统整体的制造成本；相对于普通空间分辨率PET系统，本发明可以在增加少量的系统成本前提下，使PET系统的空间分辨率得到提高，同时还能提供部分径向方向上高空间分辨率下的成像视场，成为PET研究领域的一个新的发展方向。另外，三维异质PET系统还可以根据活体不同器官的成像特点，灵活调整活体的摆放位置从而对活体进行成像，能够满足相应区域的空间分辨率要求。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的三维异质PET系统的异质探测器模块的布置示意图；
图2是根据图1的三维异质PET系统的异质探测器模块的立体示意图；
图3是根据本发明的一个优选实施例的三维异质PET系统的假体示意图；
图4是根据本发明的一个优选实施例的三维异质PET系统的使用流程图；
图5是根据本发明的另一个优选实施例的三维异质PET系统的异质探测器模块的立体示意图；
图6是根据本发明的又一个优选实施例的三维异质PET系统的异质探测器模块的立体示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
图1为根据本发明的一个优选实施例的三维异质PET系统的探测器模块布置示意图，由图1可知，本发明提供的三维异质PET系统1包括至少三个异质探测器模块10，为了描述简单，图1中仅示出了三维异质PET系统1顶部的异质探测器模块10。至少三个异质探测器模块10在空间上排列成环形，单个异质探测器模块10之间可以彼此接触也可以彼此间隔一定距离，本领域技术人员可以根据实际使用需求确定单个异质探测器模块10之间是否接触。优选的，如图1所示，本发明的三维异质PET系统1包括八个异质探测器模块10，八个异质探测器模块10彼此接触且在空间上形成封闭的环形结构。具体地，以环形的中心为O点建立三维坐标系，每个异质探测器模块10包括相对的一个顶面和一个底面，每个顶面布置在远离环形中心点O的位置，每个底面布置在靠近环形中心点O的位置，相邻的两个异质探测器模块10的底面相互接触以形成环形结构，在图1的实施例中，八个异质探测器模块10被XOY平面分割为均匀的两个环形结构，其中一个环形结构为高分辨率探测环，另一个环形结构为普通分辨率探测环，位于Z轴正方向的环形结构和位于Z轴负方向上的环形结构的位置还可以根据需求而改变。也可以设计多个环形结构交替排列，比如高分辨率探测环-普通分辨率探测环-高分辨率探测环。
值得注意的是，对于平行于XOY平面的任意一个截面而言，三维异质PET系统1中的晶体条的性能完全一样，也就是说，沿着Z轴方向的不同XOY平面可以将整个三维异质PET系统1划分为多个环形，其中在每个环形内，晶体条的性能参数完全一样，而环形间的晶体条的性能参数可以有一种或多种存在差异。
本发明提供的三维异质PET系统1的异质探测器模块10包括至少两种探测性能处于不同等级的晶体条，晶体条的探测性能参数包括能量分辨率，密度，尺寸和光输出量等，由于晶体条的探测性能根据相关指标划分为多个等级，本发明中晶体条的探测性能处于不同等级具体为晶体条的性能参数中的一种或多种处于不同等级。需要注意的是，晶体条通常切割为长方体形状，但在某些特定场合也可切割为其他形状，比如楔形，本领域技术人员可以根据需要选取不同的晶体条形状，在此不再赘述。
图2为根据图1的三维异质PET系统1的异质探测器模块10的立体示意图，在图2的实施例中，本发明提供的三维异质PET系统1的异质探测器模块10包括若干长方体形状的第一晶体条11和若干第二晶体条12，第一晶体条11和第二晶体条12的探测性能处于不同等级，具体地，以XOY平面为分界线，沿着Z轴正方向的一部分包括多个探测性能相同的第一晶体条11，沿着Z轴负方向的另一部分包括多个探测性能相同的第二晶体条12，第一晶体条11和第二晶体条12依序紧密排列构成长方体形状的异质探测器模块10。
本发明中异质探测器模块10所采用的晶体条的材质可为LaBr3，LSO，LYSO，LuYAP，BaF2，GSO，LFS，LuI3等多种种类。异质探测器模块10采用不同尺寸的晶体条，不同尺寸的晶体条具有不同的性能等级，不同尺寸的晶体条可以由同种材料的晶体制成，也可以由不同材料的晶体制成，其目的为使晶体条获得不同的性能等级，比如可改变晶体条的参数而获得不同的晶体条性能等级。
图3为根据本发明的一个优选实施例的三维异质PET系统的假体示意图，该假体40包括底盘41以及分布于底盘41上的若干第一靶点42和若干第二靶点43，第一靶点42和第二靶点43尺寸不同且分别相对的分布于底盘41的两边。在图3的实施例中，第一靶点42的尺寸大于第二靶点43的尺寸，且第一靶点42分布于图示的左半部分，第二靶点43分布于图示的右半部分。值得注意的是，假体40的形状及靶点的分布还可以为其他形状或者其他分布，本领域技术人员可以根据研究或应用的不同选择合适的形状和分布，在此不再赘述。
图4为本发明的三维异质PET系统1的使用流程示意图，如图4所示，本发明的三维异质PET系统1使用时包括步骤：组建探测器模块51，搭建三维异质PET系统52，正确摆放假体53，数据采集及处理54和图像重建55。
在组建探测器模块51的过程中，以组建图2所示的异质探测器模块10为例进行说明，组建异质探测器模块10时采用两种尺寸的晶体条，即长方体形状的第一晶体条11和第二晶体条12，第一晶体条11的尺寸大小为4.25mm×4.25mm×10mm，第二晶体条12的尺寸大小为2.125mm×2.125mm×10mm。需要注意的是，本实施例中采用相同材质不同尺寸的晶体条仅仅是为了使异质探测器模块的空间固有分辨率不同，并不局限于晶体条尺寸的改变，任何使晶体条性能参数发生改变的方式均满足需要，比如，晶体条尺寸的改变，晶体条材质的改变等。在组建图2所示的一直探测器模块10时，具体地，异质探测器模块10分布于Z轴正向的部分全部采用尺寸为4.25mm×4.25mm×10mm的第一晶体条11，分布于Z轴负向的另一部分全部采用尺寸为2.125mm×2.125mm×10mm的第二晶体条12。由于单个异质探测器模块10中晶体条数量众多，为了图示方便，图2中实际表示的晶体条数量并非实际单个异质探测器模块10中的晶体条数量，实际中，第一晶体条11沿着Z轴的方向分布10列，列的方向与Z轴同向，第一晶体条11沿着X轴的方向分布8行，行的方向与X轴同向，第一晶体条11总计为80个；第二晶体条12沿着Z轴的方向分布20列，列的方向与Z轴同向，第二晶体条12沿着X轴的方向分布16行，行的方向与X轴同向，第二晶体条12总计为320个，因此，单个异质探测器模块10包括80个相对大尺寸的第一晶体条11和320个相对小尺寸的第二晶体条12。值得注意的是，图2中的晶体条数量只是本发明的一个优选实施例，本发明中第一晶体条和第二晶体条的数目均可以变化，任何晶体条数目上的变化或者晶体条种类数目的变化均落入本发明的保护范围。
在搭建系统52的过程中，可以采用多个异质探测器模块10搭建成环形、平板型、紧凑型、等间隔型、不规则形或者根据被检测体的特征搭建出其它形状的异质PET系统。优选地，采用16个异质探测器模块10搭建组成紧凑型三维异质PET系统1，整个三维异质PET系统1的内径约为213.66mm，轴向长度为68mm，该轴向长度即图2中平行于Z轴方向的长度。
在摆放假体的过程中，要求将假体正确的摆放在三维异质PET系统中。在三维异质PET系统中，根据晶体条种类的数目m，至少有m-1个平行于XOY的平面使三维异质PET系统1划分为m-1个部分，每个部分内的晶体条的探测性能参数完全一样，不同部分之间的晶体条的探测性能并不相同。在如图3所示的圆盘形假体中，以X轴为界，位于Z轴正向部分的假体的第一靶点42的尺寸相对较大，位于Z轴负向部分的假体的第二靶点43的尺寸相对较小，区域划分明显。假体摆放时，尺寸较小的第二靶点43放置在相对高空间分辨率的视场内，尺寸较大的第一靶点42放置在普通空间分辨率的视场内。总之，假体在摆放时需要保证假体的不同的靶点分别位于三维异质PET系统的不同的成像视场之内。另外，在对假体进行成像时，假体的直径n(如图3所示)不应超过异质探测器模块的轴向长度，该轴向长度为图2中平行于Z轴方向的长度。
在数据采集及处理54的过程中，包括前端的电子学系统和进行数据处理和图像重建的计算机系统，主要进行时间窗能量窗的选择、时间符合、能量符合、时间分辨率的计算、能量分辨率的计算等，本发明中的电子学系统只需要获取事件的时间信息、能量信息和位置信息，任何满足此要求的电子学设计均可应用于本发明，在此不再赘述。
对于图像重建55的过程，本发明的三维异质PET系统可以采用多种重建方法进行图像重建，包括Maximum Likelihood Expectation Maximization算法(以下简称ML-EM算法)、Ordered Subsets Expectation Maximization算法(以下简称OSEM算法)以及比较简单的直接反投影算法，重建方法并不唯一，在此不再赘述。在本发明的图像重建中优选采用的是ML-EM算法和OSEM算法。
本发明采用异质探测器模块搭建三维异质PET系统，应当理解，PET系统的形状并不局限于环形，还可以用该异质探测器模块搭建出平板型、紧凑型、等间隔型、不规则形状或者根据被检测体的特征搭建出其它形状的异质PET系统。
图5为根据本发明另一个实施例的三维异质PET系统的异质探测器模块20的立体示意图，在图5的实施例中，本发明提供的三维异质PET系统的异质探测器模块20包括若干第一晶体条21、若干第二晶体条22和若干第三晶体条23，第一晶体条21、第二晶体条22和第三晶体条23均为长方体形状，第一晶体条21、第二晶体条22和第三晶体条23的尺寸大小不同，而且探测性能也处于不同等级。具体地，第一晶体条21、第二晶体条22和第三晶体条23依序紧密排列构成平板形状的异质探测器模块20，上下两个异质探测器模块20平行排列且上下相互对齐即可构成平板型的异质PET系统，在此不再赘述。
图6为根据本发明又一个实施例的三维异质PET系统的异质探测器模块30的立体示意图，在图6的实施例中，本发明提供的异质探测器模块30包括若干第一晶体条31和若干第二晶体条32，第一晶体条31和第二晶体条32均为楔形形状，第一晶体条31和第二晶体条32的尺寸大小不同，而且探测性能也处于不同等级。具体地，第一晶体条31和第二晶体条32依序紧密排列构成弧形形状的异质探测器模块30，多个异质探测器模块30即可构成圆环形的异质PET系统，在此不再赘述。
本发明提供的三维异质PET系统采用了独特的搭建方式，采用多种不同性能的晶体条组成异质探测器模块，相同结构情况下，相对于高空间分辨率PET系统，本发明可以在不明显降低PET系统空间分辨率的前提下有效的降低PET系统整体的制造成本；相对于普通空间分辨率PET系统，本发明可以在增加少量的系统成本前提下，使PET系统的空间分辨率得到提高，同时还能提供部分径向方向上高空间分辨率下的成像视场。而且本发明可在现有的PET系统基础上利用高性能探测器模块与传统PET系统相结合，很方便快捷的重组出一台新的异质PET系统。
另外，三维异质PET系统还可以根据活体不同器官的成像特点，灵活调整活体的摆放位置从而对活体进行成像，能够满足相应区域的空间分辨率要求。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种三维异质PET系统，其特征在于，所述三维异质PET系统包括至少两个异质探测器模块，每个所述异质探测器模块包括至少两种晶体条，所述晶体条紧密排列形成所述异质探测器模块，不同种类的所述晶体条的探测性能处于不同等级，相同种类的所述晶体条的探测性能处于相同等级，所述晶体条的探测性能参数包括能量分辨率，密度，尺寸和光输出量，所述晶体条的探测性能处于不同等级包括所述晶体条的探测性能参数中的一种或多种处于不同等级；不同平面可以将整个三维异质PET系统划分为多个环形，其中在每个环形内，晶体条的性能参数完全一样，环形间的晶体条的性能参数有一种或多种存在差异。
2.根据权利要求1所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述异质探测器模块包括若干第一晶体条和若干第二晶体条，所述第一晶体条和第二晶体条均为长方体形状，所述第一晶体条和第二晶体条依序紧密排列构成长方体形状的所述异质探测器模块，所述第一晶体条和第二晶体条将所述异质探测器模块分成两部分，其中一部分由所述第一晶体条构成，另一部分由所述第二晶体条构成。
3.根据权利要求2所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述第一晶体条和所述第二晶体条的尺寸不同，所述第一晶体条的尺寸大小为4.25mm×4.25mm×10mm，所述第二晶体条的尺寸大小为2.125mm×2.125mm×10mm。
4.根据权利要求2所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述第一晶体条共80个，按8列10行排布；所述第二晶体条共320个，按16列20行分布。
5.根据权利要求1所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述异质探测器模块在空间上形成环形结构。
6.根据权利要求5所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述晶体条为楔形形状，不同种类的所述晶体条依序紧密排列构成弧形形状的所述异质探测器模块，多个所述异质探测器模块组成圆环形的所述三维异质PET系统。
7.根据权利要求5所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述三维异质PET系统包括16个所述异质探测器模块，所述三维异质PET系统的环形结构的内径为213.66mm，轴向长度为68mm，所述轴向长度为垂直于所述环形结构截面方向的长度。
8.根据权利要求1所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述异质探测器模块共两个，所述异质探测器模块平行排列且上下对齐形成平板型三维异质PET系统。
9.根据权利要求1所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述晶体条的材质为LaBr3，LSO，LYSO，LuYAP，BaF2，GSO，LFS，LuI3中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的三维异质PET系统，其特征在于，所述三维异质PET系统还包括假体，所述假体包括底盘以及分布于所述底盘上的若干第一靶点和若干第二靶点，所述第一靶点和所述第二靶点尺寸不同且分别相对的分布于所述底盘的两边。
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